圖說(shuō)三極管的三個(gè)工作狀態(tài)
電子元件基礎(chǔ)—BJT管
三極管的工作狀態(tài)：大家都知道三極管是電流控制型元件，三極管工作在放大狀態(tài)下存在Ic=βIb的關(guān)系，怎么理解三極管的放大模型呢?這兒我們拋開(kāi)三極管內(nèi)部空穴和電子的運(yùn)動(dòng)，還是那句話(huà)只談應(yīng)用不談原理，希望通過(guò)下面的“圖解”讓初學(xué)者對(duì)三極管有一個(gè)形象的認(rèn)識(shí)。
三極管是一個(gè)以b(基極)電流Ib 來(lái)驅(qū)動(dòng)流過(guò)ce 的電流Ic 的器件，它的工作原理很像一個(gè)可控制的閥門(mén)。
左邊細(xì)管子里藍(lán)色的小水流沖動(dòng)杠桿使大水管的閥門(mén)開(kāi)大，就可允許較大紅色的水流通過(guò)這個(gè)閥門(mén)。當(dāng)藍(lán)色水流越大，也就使大管中紅色的水流更大。
如果放大倍數(shù)是100，那么當(dāng)藍(lán)色小水流為1 千克/小時(shí)，那么就允許大管子流過(guò)100千克/小時(shí)的水。三極管的原理也跟這個(gè)一樣，放大倍數(shù)為100 時(shí)，當(dāng)Ib(基極電流)為1mA 時(shí)，就允許100mA 的電流通過(guò)Ice。
有了這個(gè)形象的解釋之后，我們?cè)賮?lái)看一個(gè)單片機(jī)里常用的電路
來(lái)分析一下這個(gè)電路，如果它的放大倍數(shù)是100，基極電壓我們不計(jì)?；鶚O電流就是10V/10K=1mA，集電極電流就應(yīng)該是100mA。根據(jù)歐姆定律，這樣Rc上的電壓就是0.1A×50Ω=5V。那么剩下的5V 就吃在了三極管的c、e 極上了。
現(xiàn)在我們假如讓Rb 為1K，那么基極電流就10V/1K=10mA，這樣按照放大倍數(shù)100算，Ic就是不是就為1000mA 也就是1A了呢?假如真的為1安，那么Rc上的電壓為1A×50Ω=50V。50V!都超過(guò)電源電壓了，三極管都成發(fā)電機(jī)了嗎?其實(shí)不是這樣的。見(jiàn)下圖：
我們還是用水管內(nèi)流水來(lái)比喻電流，當(dāng)這個(gè)控制電流為10mA 時(shí)使主水管上的閥開(kāi)大到能流過(guò)1A 的電流，但是不是就能有1A 的電流流過(guò)呢?
不是的，因?yàn)樯厦孢€有個(gè)電阻，它就相當(dāng)于是個(gè)固定開(kāi)度的閥門(mén)，它串在這個(gè)主水管的上面，當(dāng)下面那個(gè)可控制的閥開(kāi)度到大于上面那個(gè)固定電阻的開(kāi)度時(shí)，水流就不會(huì)再增大而是等于通過(guò)上面那個(gè)固定閥開(kāi)度的水流了，因此，下面的三極管再開(kāi)大開(kāi)度也沒(méi)有用了。
因此我們可以計(jì)算出那個(gè)固定電阻的最大電流10V/50Ω=0.2A也就是200mA。就是說(shuō)在電路中三極管基極電流增大集電極的電流也增大，當(dāng)基極電流Ib 增大到2mA 時(shí)，集電極電流就增大到了200mA。
當(dāng)基極電流再增大時(shí)，集電極電流已不會(huì)再增大，就在200mA 不動(dòng)了。此時(shí)上面那個(gè)電阻也就是起限流作用了。
三極管的工作狀態(tài)：上面講的三極管是工作在放大狀態(tài)，要想作為開(kāi)關(guān)器件來(lái)應(yīng)用呢?毫無(wú)疑問(wèn)三極管必須進(jìn)入飽和導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。圖4所示的電路中，我們從Q 的基極注入電流Ib，那么將會(huì)有電流流入集電極，大小關(guān)系為：Ic=βIb 。
而至于BJT 發(fā)射結(jié)電壓Vbe，我們說(shuō)這個(gè)并不重要，因?yàn)橹灰狪b 存在且為正值時(shí)，這個(gè)結(jié)電壓便一定存在并且基本恒定(約0.5～1.2V，一般的管子取0.7V 左右)，也就是我們所講的發(fā)射結(jié)正偏。
既然Ube 是固定的，那么，如果BJT 基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)為電壓信號(hào)時(shí)，就必須在基極串聯(lián)一個(gè)限流電阻，如圖5。此時(shí)，基極電流為Ib=(Ui-Ube)/Rb。一般情況省略Rb是不允許的，因?yàn)檫@樣的話(huà)Ib 將會(huì)變得很大，造成前級(jí)電路或者是BJT的損壞。
接下來(lái)進(jìn)入我們最關(guān)心的問(wèn)題：Rb 如何選取。前面說(shuō)到過(guò)Ic=βIb，為了使晶體管進(jìn)入飽和，我們必須增加Ib，從而使Ic 增大，Rc 上的壓降隨之增大，直到Rc 上幾乎承受了所有的電源電壓。此時(shí)，Uce 變得很小，約0.2～0.3V(對(duì)于大功率BJT，這個(gè)值可能達(dá)到2～3V)，也就是我們所說(shuō)的飽和壓降Uce(sat)。
如果達(dá)到飽和時(shí)，我們忽略Uce(sat)，那么就有IcRL=βIbRL=Vcc。也就是只要保證Ib≥Ic/β或Ib≥Vcc/(βRL)時(shí)，晶體管就能進(jìn)入飽和狀態(tài)。我們看這樣一組數(shù)據(jù)：Vcc=5V，β=200，RL=100Ω。
那么要求Ib≥5/(200×100)A=0.25mA。如果Ui=5V，那么取Rb≤(Ui-Ube)/Ib≈(5-0.7)/0.25kΩ=17.2kΩ就能滿(mǎn)足要求了。但是，實(shí)際上，對(duì)于這種情況，如果取一個(gè)10kΩ以上的電阻都可能導(dǎo)致BJT 無(wú)法進(jìn)入飽和狀態(tài)。
這是為什么呢?因?yàn)槲覀兊钠骷皇抢硐氲?，我們?cè)趤?lái)看下面一個(gè)圖
這是我們常用的一款小信號(hào)BJT，型號(hào)為MMBT3904 的直流電壓增益曲線(xiàn)。從圖中可以看出，BJT 的共射極直流電壓增益hfe(也就是通常意義下的β)不僅是溫度的函數(shù)，而且與集電極電流有關(guān)。在一定的集電極電流范圍內(nèi)，hfe 基本為常數(shù);當(dāng)集電極電流大于一定值時(shí)，hfe 將急劇下降。
我們?cè)谑褂肂JT 作為開(kāi)關(guān)時(shí)，大多數(shù)情況下用于驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，如LED、繼電器等，這些負(fù)載的電流一般較大，此時(shí)hFe 已經(jīng)下降到遠(yuǎn)小于我們計(jì)算時(shí)使用的那個(gè)值。
如前面的例子，如果這個(gè)BJT 為MMbT3904，集電極電流達(dá)到近50mA，此時(shí)的β(或hFe)已經(jīng)下降到只要100 左右了，計(jì)算基極電阻時(shí)使用的β也應(yīng)該取100 而不是200。
而實(shí)際應(yīng)用中，Ib 并不是越大越好，因?yàn)镮b 對(duì)外電路來(lái)說(shuō)是沒(méi)有實(shí)質(zhì)作用的，它僅僅是維持BJT 可靠導(dǎo)通的必要條件。Ib 越大，驅(qū)動(dòng)部分的損耗也就越大，從而降低了電路的效率。而且Ib越大還會(huì)影響三極管的開(kāi)關(guān)速率。
電子元件基礎(chǔ)—MOS管
MOS管識(shí)別
我們知道MOS管有P溝道和N溝道之分，給出一個(gè)MOS的電路符號(hào)，你是怎么判斷它是N溝道，還是P溝道?下面我們就來(lái)看下圖這顆MOS管電路符號(hào)。
MOS三個(gè)極怎么判斷?
它們是N溝道還是P溝道?
寄生二極管
在圖1我們看到D極和S極之間存在著一個(gè)二極管，這個(gè)二極管叫寄生二極管。MOS的寄生二極管怎么來(lái)的呢?它是由生產(chǎn)工藝造成的，大功率MOS管漏極從硅片底部引出，就會(huì)有這個(gè)寄生二極管。
小功率MOS管例如集成芯片中的MOS管是平面結(jié)構(gòu)，漏極引出方向是從硅片的上面也就是與源極等同一方向，沒(méi)有這個(gè)二極管。模擬電路書(shū)里講得就是小功率MOS管的結(jié)構(gòu)，所以沒(méi)有這個(gè)二極管。但D極和襯底之間都存在寄生二極管，如果是單個(gè)晶體管，襯底當(dāng)然接S極，因此自然在DS之間有二極管。
如果在Ic里面，N—MOS襯底接最低的電壓，P—MOS襯底接最高電壓，不一定和S極相連，所以DS之間不一定有寄生二極管。那么寄生二極管起什么作用呢?當(dāng)電路中產(chǎn)生很大的瞬間反向電流時(shí)，可以通過(guò)這個(gè)二極管導(dǎo)出來(lái)，不至于擊穿這個(gè)MOS管。(起到保護(hù)MOS管的作用）
寄生二極管方向判定
MOS管的應(yīng)用
1、開(kāi)關(guān)作用
我們筆記本主板上用得最多的電子器件便是MOS管，可見(jiàn)MOS管在低功耗方面應(yīng)用得非常廣泛，MOS管都有哪些應(yīng)用呢?先來(lái)看下面的原理圖
相信你從圖5可以看出MOS管在電路中的作用了吧，以上的MOS開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)的是信號(hào)切換(高低電平的切換)，那么MOS在電路中要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)作用應(yīng)該滿(mǎn)足什么條件呢?還有前面提過(guò)MOS管接入電路哪個(gè)極接輸入哪個(gè)極接輸出(提示：寄生二極管是關(guān)鍵)?我們先看MOS管做開(kāi)關(guān)時(shí)在電路的接法。
為什么是這樣接呢?反過(guò)來(lái)接行不行?那是不行的。就拿NMOS管來(lái)說(shuō)S極做輸入D極做輸出，由于寄生二極管直接導(dǎo)通，因此S極電壓可以無(wú)條件到D極，MOS管就失去了開(kāi)關(guān)的作用，同理PMOS管反過(guò)來(lái)接同樣失去了開(kāi)關(guān)作用。
接下來(lái)談?wù)凪OS管的開(kāi)關(guān)條件，我們可以這么記，不論是P溝道還是N溝道，G極電壓都是與S極電壓做比較：
N溝道： UG>US時(shí)導(dǎo)通。 (簡(jiǎn)單認(rèn)為)UG=US時(shí)截止。
P溝道： UG
但UG比US大(或小)多少伏時(shí)MOS管才會(huì)飽和導(dǎo)通呢?這要看具體的MOS管，不同的MOS管要求的壓差不同。比如筆記本上用于信號(hào)切換的MOS管：N7002，2N7002e，2N7002K，2N7002D，F(xiàn)DV301N等。UG比US大3V---5V即可。
2、隔離作用
如果我們想實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路上電流的單向流通，比如只讓電流由A->b，阻止由b->A，請(qǐng)問(wèn)該怎么做?
但這樣的做法有一個(gè)缺點(diǎn)，二極管上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降，損失一些電壓信號(hào)。而使用MOS管做隔離，在正向?qū)〞r(shí)，在控制極加合適的電壓，可以讓MOS管飽和導(dǎo)通，這樣通過(guò)電流時(shí)幾乎不產(chǎn)生壓降。下面我們來(lái)看一個(gè)防電源反接電路。
這個(gè)電路當(dāng)電源反接時(shí)NMOS管截止，保護(hù)了負(fù)載。電源正接時(shí)由于NMOS管導(dǎo)通壓降比較小，幾乎不損失電壓，比在電源端加保險(xiǎn)管再在負(fù)載并聯(lián)一個(gè)二極管的方案好一些。
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